材料物理专业量子力学教学方法与实践

摘 要针对材料物理专业学生学习量子力学课程所面临的困难,通过对近年来教学实践的总结,从教学内容、教学方法和手段进行探索和实践,调动了学生学习的积极性和主动性,取得了较好的教学成果.

关 键 词量子力学教学内容教学方法

中图分类号：G420文献标识码：A

TeachingMethodsandPracticeofQuantumMechanicsof

MaterialsPhysicsProfessional

FUPing

(CollegeofMaterialsScienceandEngineering,WuhanInstituteofTechnology,Wuhan,Hubei430073)

AbstractForthedifficultieacedbystudentsinMaterialsprofessionaltolearnquantummechanicsphysicscourse,byasummaryofteachingpracticeinrecentyears,fromtheteachingcontent,teachingmethodsandmeansofexplorationandpractice,studentobilizetheenthusiaandinitiative,andachievedgoodteachingresults.

Keywordsquantummechanics,teachingcontent,teachingmethods

0引言

量子力学是研究微观粒子（如原子、分子、原子核和基本粒子等）运动规律的物理学分支学科,它和相对论是矗立在20世纪之初的两座科学丰碑,一起构成了现代物理学的两块理论基石.相对论和量子力学彻底改变了经典物理学的世界观,并且深化了人类对自然界的认识,改造了人类的宇宙观和思想方法,它使人们对物质存在的方式及其运动形态等的认识产生了一个质的飞跃.

量子力学是材料物理专业一门承前启后的专业基础必修课：量子力学的教学必须以数学为基础,包括线性代数、概率论、高等数学、数理方法等,其又是后续课程材料科学基础、固体物理、材料物理、纳米材料等的理论基础.可见,量子力学课程在材料物理专业的课程体系中占有非常重要的地位,学生掌握的程度直接影响后续专业课程的学习.作者近年来一直从事量子力学的教学工作,针对量子力学课程教学过程中存在的现象和问题,进行了较深入细致的思考与探讨,在实际教学过程中对本课程的教学方法进行了探索与实践,收到了较好的教学效果.

1量子力学教学面临的难点

量子力学研究的是微观粒子的运动规律,微观粒子同宏观粒子不同,看不见,摸不着,只有借助于探测器才能察觉它的存在和属性.材料物理专业学生之前学习的基本上是经典物理,而量子力学理论无法用经典理论进行解释,学生对此感到难于理解.因此,经典物理的传统观念对学生思想的束缚,构成了学生学习量子力学的思想障碍；量子力学可以说无处不“数学”,由于材料物理专业学生在数学基础方面与物理专业学生相比较为薄弱,在学习过程中普遍感到数学计算繁难,对大段的数学推导表现出畏难情绪.可见,量子力学对数学的精彩诠释却构成了学生学习量子力学的心理障碍.这两大障碍势必会影响量子力学和后续课程的学习.在这种情况下,我们应当怎样开展量子力学教学从而使学生重视并努力学好该课程就成了一个严峻的挑战.

2明确教学重点和难点、有的放矢

要讲授一门课程,首先应该对课程内容有一个清晰的认识.量子力学的内容可以包括三个方面：一是介绍产生新概念的历史背景及一些重要实验；二是提出一系列不同于经典物理学的基本概念与原理,如波函数、算符等概念和相关原理,是该课程的核心；三是给出解决具体实际问题的方法.三部分内容相互联系,层层推进,形成完整的知识体系.作为引导者,教师应在这三部分内容的教学过程中帮助学生成功地突破两大束缚.第一部分内容教师应考虑如何引导学生入门,从习惯古典概念转而接受量子概念.在讲授这部分内容时要将重点放在“经典”向“量子”的过渡上,引出量子力学与经典力学在研究方法上的显著不同：经典力学是将其研究对象作为连续的不间断的整体对待,而量子力学将其研究对象看成的间断的、不连续的.学生在学习这部分时应仔细“品尝”其中的“滋味”,以便启发自己的思维自然地产生一个飞跃,完成思想的突破.第二、三部分是量子力学学习的重点与难点,并且涉及大量的数学推导,教师应采取适当的教学手段,突出重点,强调难点.在物理学研究中,数学只是用来表达物理思想并在此基础上进行逻辑演算的工具,不能将物理内容淹没在复杂的数学形式当中.通过数学推导才能得到的结论,只需告诉学生,从数学上可以得到这样的结果就可以了,无需将重点放在繁难的数学推导上,否则会使学生本末倒置,忽略了对量子力学思想的理解.这样的教学可以帮助学生突破心理障碍,不会一提量子力学就想到复杂的数学推导,从而产生抵触情绪.成功地突破这两大障碍,是学习量子力学的关键.

3教学方法的改革

3.1利用现代技术改进教学手段

传统的板书教学能够形成系统性的知识框架,教师在板书推导的过程中,学生有时间反应和思考,紧跟教师的思路,从而可以详细、循序渐进地吸收所学知识,并培养了良好的思维习惯.但全程板书会导致上课节奏慢,授课内容有限.目前随着高校教学改革的推进,授课学时相继减少,对于传统教学方式来讲,要完成教学任务比较困难.这就要借助现代科技手段进行教学改革,包括多媒体课件的使用和网络教学.但是在量子力学教学中,一些繁杂公式的推导,如果使用多媒体课件,节奏会较快,导致学生目不暇接,来不及做笔记,更来不及思考,不利于讲授内容的消化吸收.鉴于此,对于量子力学课程,教学过程应采用板书和多媒体技术相结合的方式,充分发挥二者的优势,调动学生的学习积极性.

3.2建设习题库

量子力学课程理论抽象,要深入理解这些理论,在熟练掌握教材基本知识的基础上,需要通过大量习题的演练,循序渐近,才能检验自己理解的程度,真正学好这门课程.因此在教学过程中,强调做习题的重要性.有针对性地根据材料物理专业量子力学的教学大纲和教学内容,参考多本量子力学教材和习题集,利用计算机技术建设量子力学习题库,题型包括选择、填空、证明、简答和计算题等,内容涵盖各知识点,从简到繁、由浅至深.题库操作方便,学生可自行操作,并对所做结果进行实时检查,从而清楚自己掌握本课程的程度.这一方式在近几年的教学中取得了良好的教学效果.

3.3加强与学生互动,调动学生的学习积极性

教学是一个师生互动的过程,应让学生始终处于主动学习的位置而不是被动的接受.量子力学课程的学习更应积极调动学生的积极性,因此教师应在教学过程中加强与学生的互动.增设课前提问、课后讨论环节,认真批改作业,积极发现学生学习过程中存在的问题,并及时对问题进行深入讲解,解决问题.另外,由于量子力学是建立在一系列基本检测定基础之上的,抽象难懂,鉴于学生难接受的情况,在授课时注意理论联系实际,尽可能进行知识的渗透和迁移,将量子力学在实际中的应用穿插于教学之中,丰富教学内容,开拓学生视野,从而调动学生的学习兴趣和积极性.

4结语

通过近年来教学经验的总结和探索,形成了一套适合材料物理专业量子力学课程教学的方法,该方法教学效果良好.在近几年的研究生入学考试中,学生量子力学课程的成绩优秀,说明采用这样的教学方法是成功的.

资助项目：武汉工程大学2010年校级教学研究项目（X201037）